JPH0439195B2

JPH0439195B2 -

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Publication number: JPH0439195B2
Application number: JP58094563A
Authority: JP
Priority date: 1983-05-27
Filing date: 1983-05-27
Publication date: 1992-06-26
Also published as: JPS59219887A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、デイーゼルエンジンの予熱プラグ、
暖房機の燃料着火用ヒータなどに用いられるセラ
ミツクキータに関する。従来、セラミツクヒータは、セラミツク発熱体
がハウジングに固定されている。そして発熱体に
接続した一対の電極のリード線は一方をハウジン
グに接続し他方を内部を貫きハウジングの固定部
に設けられている中心電極に接続する構成とする
のが通常である。この場合、中心電極に接続され
る電極のリード線は、ハウジングに対して電気的
に絶縁して中心電極に接続することが必要があ
る。このためハウジングと発熱体との間の位置決
めが重要である。従来では、発熱対とハウジングとの間に絶縁性
のガラス、セラミツクペーストなどの絶縁性接着
剤を流し込んで固着する方法が採用されていた。しかし、この方法によると、発熱体の中心軸が
ハウジングの中心軸に対して一定とならず内部電
極がずれて導通不良となる恐れがある。このため
組付け時の発熱体とハウジングとの位置決めが不
確実となり、取付け部材に対するハウジングの取
付けが困難となる場合がある。また上記の絶縁作
業も面倒であるという不具合がある。本発明は、上記の事情に鑑みて案出されたもの
であつて、セラミツク発熱体の電極の連通を容易
にして組付け作業を容易とし、かつ耐久性に優れ
た発熱体を使用したセラミツクヒータとすること
を目的とする。本発明のセラミツクヒータは、セラミツク絶縁
体と、この絶縁体の一端に設けられたセラミツク
発熱体と、前記絶縁体中に埋設され一端側が前記
発熱体に接続された一対の電極と、前記絶縁体の
外周側に固定された筒状の導電材料よりなるハウ
ジングと、前記絶縁体の外周にメタライズ層を介
してろう付け接続されているとともに前記ハウジ
ングの一端側の内周側にろう付け接合された筒状
の導電材料よりなるスリーブと、前記ハウジング
の他端側に配置された端子手段とを具備し、前記
一体の電極の内、一方の電極の他端側は前記スリ
ーブを介して前記ハウジングに接続され、他方の
電極の他端側は前記端子手段に接続されているこ
とを特徴とする。本発明のセラミツクヒータは、セラミツク絶縁
体の一端側にセラミツク発熱体を設け、絶縁体の
外周側とハウジングの一端側の内周側との間にス
リーブを設けた構成である。セラミツク発熱体とハウジングとの間の電気絶
縁は絶縁体により直接接触しないことで逹成さ
れ、発熱体とハウジングとの位置決めは、絶縁体
とハウジングとの間に設けたスリーブによりおこ
なわれる。また、例えば金属によりスリーブを形成し、ハ
ウジングも金属で形成することで両者を直接に溶
接することで絶縁体を容易にハウジングに固定す
ることができる。絶縁体の外周にメタライズ層が
形成されメタライズ層を介してスリーブがろう付
けにより絶縁体に接合される。このスリーブによ
り一対の電極の一方をハウジングに接続すること
ができる。他方の電極は絶縁体を通してその絶縁
体の他端から例えば、金属キヤツプでリード線の
端部と接続させ、ホールデングピンを用いて金属
キヤツプ中心電極との間を電気的に接続する。そ
して周囲を絶縁材料で埋設してこの端子部分をハ
ウジングと絶縁して端子手段が構成されている。
このため発熱体の電極の通電構造が簡略化でき短
縮や断線するのが防げる。本発明のセラミツク発熱体の材料は、MoSi₂と
Si₃N₄との混合物からなる。即ちかかるセラミツ
ク材料を発熱体としてデイーゼルエンジン用に用
いる場合には抵抗温度係数が高いことが必要であ
るので、MoSi₂の添加が必要である。しかし
MoSi₂単独による発熱体材料は高温強度、耐衝撃
強度にやや難点がある。従つてかかる点を解消す
るためにSi₃N₄を添加することがよいことが分か
つた。本発明におけるセラミツク発熱体の材料を構成
するMoSi₂とSi₃N₄との混合比率は、特に限定さ
れず発熱機能を発揮するものであればよいが、30
〜90モル％のMoSi₂，70〜10モル％のSi₃N₄の組
成が好ましい。Si₃N₄の割合が70モル％を上回る
と非抵抗が大きくなり、一方10モル％を下回ると
Si₃N₄の添加効果がなくなるからである。上記セラミツク発熱体の気孔率は８％以下であ
り、好ましくは４％以下である。デイーゼルエン
ジンの予熱プラグ等として用いられるセラミツク
発熱体の温度を、カレントセンサ方式で十分にか
つ精度良く制御するためには、安全性を考慮し、
より耐久性を必要とされる現状においては1400
℃、400時間連続発熱させた後の、このセラミツ
クヒータの通常抵抗変化率が８％以内であること
が要求される。このカレントセンサ方式において
必要とされる上記の耐久性能を満たす場合におけ
る、上記セラミツク発熱体の気孔率の値が上述の
ように８％以下なのである。またこの気孔率が４
％以下であると、1400℃、400時間連続発熱後で
あつてもこのセラミツクヒータの常温抵抗変化率
はほとんどなく（抵抗変化率は１％以下である）
極めて耐久性に優れているからである。この発熱体の形状は特に限定されない。しかし
セラミツク発熱体の内部の熱を有効に利用しまた
は発熱体の内、外側面の温度差を小さくするため
には発熱体の断面をＵ字形状とし、セラミツク絶
縁体の一端が発熱体の中央部に挿入一体化されて
いるものが好ましい。本発明のセラミツク絶縁体の材質は、絶縁体で
あれば良く、特に限定されないが、耐熱性、耐久
性および上記セラミツク発熱体との一体的焼結後
の密着性の観点から酸化アルミニウムとSi₃N₄と
の混合物等が用いられる。なおこのセラミツク絶
縁体は、発熱体素子の一端に保持されるセラミツ
ク発熱体と一体的に焼結されるものである。一対の電極を形成する耐熱金属のリード線は絶
縁体の内部に埋設される。このリード線はモリブ
デン（Moという）、タングステン（Ｗという）
等の耐熱金属で形成され薄板状、線状等の形状を
有する２つのリード線があつて、それらの各々は
電気絶縁体の内部と発熱体の端部に接続されてい
る。上記の発熱体と絶縁体とから構成された発熱素
子は以下のようにして製造される。即ち第３図の
如く、上記の生シート２１と発熱体の生シート３
１とを複数枚用意し、各シートを積層配置すると
ともにリード線４をシート間に挿入する。その
後、図中の矢印の如く低温でホツトプレスをし、
各シートを接着する。接着後に高温高圧下で焼成
して緻密な焼結体とする。なおかかる焼結体のう
ち発熱体の気孔率は、焼結時の温度および圧力、
Si₃N₄およびMoSi₂の粒径の変化により調整され
る。本発明のセラミツクヒータを構成する発熱体
は、MoSi₂とSi₃N₄との混合物というセラミツク
からなるので、従来の金属線発熱体の場合と比べ
耐熱性、耐酸化性に優れ発熱効果も良いし、
MoSi₂単独の場合と比べて極めて高温強度に優れ
熱膨張係数も小さくなるので耐熱衝撃性にも優れ
る。本発明によれば、セラミツク絶縁体の一端側に
セラミツク発熱体を設け、そしてその絶縁体の外
周側とハウジングの一端側の内周側との間にスリ
ーブを設けた構成である。このため、発熱体とハ
ウジングとの間の電気絶縁はセラミツク絶縁体の
存在により達成され、またセラミツク発熱体とハ
ウジングとの間の位置決めは、セラミツク絶縁体
とハウジングとの間に設けたスリーブによつて達
成することができる。また、金属などの導電材料によりスリーブとハ
ウジングを構成することにより、両者を直接に溶
接して絶縁体を容易にハウジングに固定すること
ができる。また、そのスリーブを用いて一対の電
極の一方をハウジングに接続することができるの
で、ハウジングに対する電極の導通構成が簡単と
なる。本願のスリーブをメタライズ層を介して絶縁体
にろう付けで接合するという構成により、一方の
電極はハウジングへの導通構成作業が確実とな
り、絶縁体とスリーブとの接合強度が向上すると
いう効果が得られます。（実施例）以下、本発明を実施例により説明する。第１図にセラミツクヒータの断面図を示す。こ
のセラミツクヒータは、セラミツク絶縁体２と、
セラミツク絶縁体２の一端が埋設されて設けられ
たセラミツク発熱体３と、セラミツク絶縁体２を
通してセラミツク発熱体３に接続された一対の電
極４と、セラミツク絶縁体２の外周側に固定され
た筒状の導電材料よりなるハウジング６と、ハウ
ジング６の一端側の内周側とセラミツク絶縁体２
の外周側との間に設けられた導電材料よりなるス
リーブ５と、ハウジング６の他端側には端子手段
の中心電極９とを具備している。そしてセラミツク絶縁体２の端部がセラミツク
発熱体３の中央部に挿入され一体化して発熱素子
１を形成している。セラミツク絶縁体２の内部には第２図に示すよ
うに発熱体３に端部が接続された一対の電極を形
成するリード線４が埋設されている。そしてリー
ド線４の端部のうち一方は第２図ａに示すように
側面に部分が露出しスリーブ５に接続される。そ
してスリーブ５を介してハウジング６に接続さ
れ、他方のリード線４はセラミツク絶縁体３の他
端面に端部が露出し、金属キヤツプ７、ホールデ
ングピン８を介して中心電極９に接続されてい
る。なお、ホールデングピン８の周囲は絶縁ペー
スが充填されハウジング６と電気的に絶縁されて
いる。なお、セラミツク発熱体３は断面形状がＵ
字形である。発熱体素子１は外周側でスリーブ５とハウジン
グ６とで位置決めされて溶接などで固定されてい
る。そしてハウジング６は中心電極９とＯリング
および絶縁ブツシユ１０でハウジング６と絶縁さ
れて係止され取付ナツト１１で一体的に固定され
ている。このような構成とすることにより通電構造の筒
単で耐久性の優れたセラミツクヒータが容易に得
られる。（試験例１）高温強度、耐熱衝撃性を発揮するための、セラ
ミツク発熱体を構成するMoSi₂とSi₃N₄との混合
物のその混合比率を以下に検討し、その結果を第
１表に示した。この第１表における耐酸化テスト
は1000℃、15時間、空気中で行つたものであり、
高温破壊強度は試料40×３×４mm、荷重速度0.5
mm／min，1300℃、空気中の３点曲げ試験で、試
料が破壊もしくは大幅に変形した際の荷重を示
し、熱膨張係数は室温〜800℃の平均熱膨張係数
をいう。この試験結果によれば、MoSi₂は30〜90
モル％、Si₃N₄は70〜10モル％が望ましい。Si₃
N₄が70モル％を上回るとセラミツクヒータの比
抵抗が大きくなり、一方10モル％を下回るとSi₃
N₄の添加効果がなくなる。（試験例２） MoSi₂80モル％およびSi₃N₄20モル％の組成か
らなり、種々の気孔率をもつセラミツク発熱体を
用いたセラミツクヒータの耐久性を以下に検討し
た。種々の気孔率を有するセラミツク発熱体からな
る、第２図ａ，ｂに示した発熱体素子１を

【表】

【表】以下の方法により製作した。即ち第３図に示す
ように、平均粒径10μmのMoSi₂80モル％および
平均粒径1.0μmのSi₃N₄20モル％の組成からなる
セラミツクシート３１、Si₃N₄20モル％および酸
化アルミニウム80モル％の組成からなるセラミツ
クシート２１の各々を積層した。そしてこの各シ
ートの積層物の内部にMoまたはＷの耐熱性金属
電極のリード線４を埋設させ、それらの積層形状
体を、1500〜1650℃の高温および100〜500Kg／cm²
の高圧下の種々の条件で焼成を第２表に示すよう
におこなつた。上記の方法により製作された、第２図ａ、ｂに
示した発熱体素子１は、４×３×52mmの形状をも
ち、その一端に発熱体３（４×３×10mm）を有す
る。電極４は絶縁体２の内側に埋設され、かつ発
熱体３の２つの端部の内側に接続されている。そして第１図に示すようにこの発熱体素子１は
耐熱金属からなるスリーブ５を介して、耐熱金属
からなるハウジング６に一体化した。このスリー
ブ５は発熱体素子１の絶縁体２の外周にメタライ
ズ層（図示されない）を介してろうつけ接合して
ある。ハウジング６は、スリーブ５とろうつけし
てある。電極のリード線４の一方はスリーブ５を
介してハウジング６に接続され、他方の電極のリ
ード線４は金属キヤツプ７、金属ホールデイング
ピン８を介して中心電極９に接続されている。電力は中心電極９を正とし、ハウジング６を負
として印加され、発熱体３の発熱を得ることがで
きる。なお、上記構成になるセラミツクヒータの作動
を説明すると、中心電極９を電源、例えば車載バ
ツテリーの正極に接続し、ハウジング６をバツテ
リーの負極に接続すると、電流が流れ発熱体３が
ジユール熱により発熱する。これにより、図示し
ないインジエクターにより噴射された燃料は着火
することになる。ハウジング６に固着された種々の気孔率を有する
発熱体３を、実際に使用される温度約1000℃に安
全性を考慮して、1200℃および1400℃で連続発熱
させて、そのセラミツクヒータの常温抵抗値の変
化を検討し、その結果を第３表および第４図に示
した。この結果によれば200〜500mm／cm²の高圧下およ
び1550〜1650℃の高温下においてMoSi₂とSi₃N₄
との混合物（そのモル比MoSi₂／Si₃N₄＝80/20）
を焼成すると気孔率が８％以下の焼結体が得られ
た。この気孔率は従来知られているSiCなどのセ
ラミツク発熱体の場合には通常得られていない低
い値である。また第３表および第４図の結果によれば1400
℃、400時間連続発熱後のセラミツクヒータの常
温抵抗変化率が８％以下となる場合の気孔率は８
％以下である。すなわち従来使用されているセラ
ミツクヒータ等の上記耐久性がせいぜい1200℃、
1000時間と比べ、本試験例のセラミツク発熱体の
気孔率８％以下の場合はそのセラミツクヒータの
耐久性が箸しく良い。特にその気孔率が４％以下
の場合は1400℃、40れお時間の連続発熱後であつ
てもセラミツクヒータの常温抵抗変化率が１％以
下であり、本発明のセラミツクヒータの耐久性は
極めてよい。またセラミツク発熱体のMoSi₂とSi₃N₄との混
合組成が他の場合でも同様の効果が得られる。種々の気孔率を有するセラミツク発熱体は
MoSi₂およびSi₃N₄の平均粒径をかえても製造す
ることができる。この結果を第５図に示した。即
ちMoSi₂の平均粒径１〜50μm、Si₃N₄の平均粒径
を0.3〜10μm歳、圧力400Kg／cm²、焼成温度1625
℃にて１時間焼成することによりセラミツク発熱
体の気孔率が８％以下のものも製造することがで
きた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すセラミツクヒ
ータの断面図、第２図は第１図の発熱体素子を示
すもので、第２図ａはその正面図、第２図ｂはそ
の側面図、第３図は第２図の発熱体素子の製作説
明に供する斜視図である。第４図はセラミツクヒ
ータの気孔率と400時間後の抵抗変化率の関係を
示す線図、第５図はセラミツクヒータ原料の平均
粒径と得られるセラミツクヒータの気孔率の関係
を示す線図である。１……発熱体素子、２……セラミツク絶縁体、
２１……セラミツク絶縁体の生シート、３……セ
ラミツク発熱体、３１……セラミツク発熱体の生
シート、４……リード線、５……スリーブ、６…
…ハウジング、７……金属キヤツプ、８……ホー
ルデングピン、９……中心電極、１０……電気絶
縁ブツシユ、１１……取付ナツト、

Claims

【特許請求の範囲】１セラミツク絶縁体と、この絶縁体の一端に設
けられたセラミツク発熱体と、前記絶縁体中に埋
設され一端側が前記発熱体に接続された一対の電
極と、前記絶縁体の外周側に固定された筒状の導
電材料よりなるハウジングと、前記絶縁体の外周
にメタライズ層を介してろう付け接合されている
とともに前記ハウジングの一端側の内周側にろう
付け接合された円筒状の導電材料よりなるスリー
ブと、前記ハウジングの他端側に配置された端子
手段とを具備し、前記一対の電極のうち、一方の
電極の他端側は前記スリーブを介して前記ハウジ
ングに接続され、他方の電極の他端側は前記端子
手段に接続されていることを特徴とするセラミツ
クヒータ。２セラミツク発熱体は、30〜90モル％のMoSi₂
と70〜10モル％のSi₃N₄の焼結体で形成されてい
る特許請求の範囲第１項記載のセラミツクヒー
タ。３前記セラミツク発熱体の気孔率は８％以下で
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
のセラミツクヒータ。４前記セラミツク発熱体の断面形状はＵ字状で
あり、前記セラミツク絶縁体の一端は該セラミツ
ク発熱体の中央部に挿入され、一体化されている
特許請求の範囲第１項記載のセラミツクヒータ。